基于虛擬儀器的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2024-09-10 11:19 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 偶可以用來測量一200～1600℃范圍內(nèi)的溫度，有些熱電偶甚至可測2000℃以上溫度。所以熱電偶是使用最廣泛的測溫元件之一。通過熱電偶冷端補(bǔ)償進(jìn)行溫度測量是一種傳統(tǒng)、有效的方法。 熱電偶工作原理熱電偶是由兩種金屬(或合金) 材料構(gòu)成的溫度傳感器。熱電偶具有熱電效應(yīng), 當(dāng)兩種金屬A和B 構(gòu)成閉合回路、并且在兩個結(jié)點(diǎn)存在溫度差時(shí), 就會產(chǎn)生溫差熱電勢。有公式:e= EAB(T1)－EAB(T0) ＝k／q (T1－T0) ㏑ρA ∕ρBEAB (T1)、EAB (T0) 分別為熱端(T1)、參考端(T0) 的熱電勢。習(xí)慣上將參考端稱作冷端, 此端溫度即測溫儀表所處環(huán)境的溫度, k 為波耳茲曼常數(shù), q 是電子電量, ρA﹑ρB依次為金屬A、B 中自由電子的密度。顯然, 當(dāng)T1 T0 時(shí), 熱電勢e 為正。 T 1 T0 時(shí)e 為負(fù)。 當(dāng)T1 = T0 時(shí),e = 0。為準(zhǔn)確測量溫度, 可將冷端置于冰水混合物中, 使之保持在0℃環(huán)境下, 但這會給測量帶來不便。 通常采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏元件(如熱敏電阻) 進(jìn)行補(bǔ)償。而利用集成溫度傳感器不僅可實(shí)現(xiàn)熱電偶冷端溫度的自動補(bǔ)償, 且補(bǔ)償效果更好。圖31 熱電偶回路電動勢通過將參考結(jié)點(diǎn)保持在已知溫度上并測量該電壓，便可推斷出檢測結(jié)點(diǎn)的溫度。熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是工作溫度范圍非常寬，而且體積極小。不過，它們也存在著輸出電壓小、容易遭受來自導(dǎo)線環(huán)路的噪聲影響以及漂移較高的缺陷。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。工業(yè)測溫用的熱電偶，其基本構(gòu)造包括熱電偶絲材、絕緣管、保護(hù)管和接線盒等。常用熱電偶絲材及其性能：鉑銠10－鉑熱電偶（分度號為Ｓ，也稱為單鉑銠熱電偶）該熱電偶的正極成份為含銠10%的鉑銠合金，負(fù)極為純鉑；它的特點(diǎn)是：（１）熱電性能穩(wěn)定、抗氧化性強(qiáng)、宜在氧化性氣氛中連續(xù)使用、長期使用溫度可達(dá)1300℃，超達(dá)1400℃時(shí)，即使在空氣中、純鉑絲也將會再結(jié)晶，使晶粒粗大而斷裂；（２）精度高，它是在所有熱電偶中，準(zhǔn)確度等級最高的，通常用作標(biāo)準(zhǔn)或測量較高的溫度；（３）使用范圍較廣，均勻性及互換性好；（４）主要缺點(diǎn)有：微分熱電勢較小，因而靈敏度較低；價(jià)格較貴，機(jī)械強(qiáng)度低，不適宜在還原性氣氛或有金屬蒸汽的條件下使用。２、鉑銠13－鉑熱電偶（分度號為Ｒ，也稱為單鉑銠熱電偶）該熱電偶的正極為含13%的鉑銠合金，負(fù)極為純鉑，同S型相比，它的電勢率大15%左右，其它性能幾乎相同，該種熱電偶在日本產(chǎn)業(yè)界，作為高溫?zé)犭娕加玫米疃?，而在中國，則用得較少；３、鉑銠30－鉑銠6熱電偶（分度號為Ｂ，也稱為雙鉑銠熱電偶）該熱電偶的正極是含銠30%的鉑銠合金，負(fù)極為含銠6%的鉑銠合金，在室溫下，其熱電勢很小，故在測量時(shí)一般不用補(bǔ)償導(dǎo)線，可忽略冷端溫度變化的影響；長期使用溫度為1600℃，短期為1800℃，因熱電勢較小，故需配用靈敏度較高的顯示儀表。Ｂ型熱電偶適宜在氧化性或中性氣氛中使用，也可以在真空 氣氛中的短期使用；即使在還原氣氛下，其壽命也是Ｒ或Ｓ型的10～20倍；由于其電極均由鉑銠合金制成，故不存在鉑銠－鉑熱電偶負(fù)極上所有的缺點(diǎn)、在高溫 時(shí)很少有大結(jié)晶化的趨勢，且具有較大的機(jī)械強(qiáng)度；同時(shí)由于它對于雜質(zhì)的吸收或銠的遷移的影響較少，因此經(jīng)過長期使用后其熱電勢變化并不嚴(yán)重、缺點(diǎn)價(jià)格昂貴 （相對于單鉑銠而言）。鎳鉻硅－鎳硅熱電偶（分度號為Ｎ）該熱電偶的主要特點(diǎn)是：在1300℃以下調(diào)溫抗氧化能力強(qiáng)，長期穩(wěn)定性及短期熱循環(huán)復(fù)現(xiàn)性好，耐核輻射及耐低溫性能好，另外，在400～1300℃范圍內(nèi)，Ｎ型熱電偶的熱電特性的線性比Ｋ型偶要好；但在低溫范圍內(nèi)（200～400℃）的非線性誤差較大，同時(shí)，材料較硬難于加工。銅－銅鎳熱電偶（分度號為Ｔ）T型熱電電偶,該熱電偶的正極為純銅，負(fù)極為銅鎳合金（也稱康銅），其主要特點(diǎn)是：在賤金屬熱電偶中，它的準(zhǔn)確度最高、熱電極的均勻性好；它的使用溫度是200～350℃，因銅熱電極易氧化，并且氧化膜易脫落，故在氧化性氣氛中使用時(shí)，一般不能超過300℃，在200～300℃范圍內(nèi)，它們靈敏度比較高，銅－康銅熱電偶還有一個特點(diǎn)是價(jià)格便宜，是常用幾種定型產(chǎn)品中最便宜的一種。鐵－康銅熱電偶（分度號為Ｊ）J型熱電偶,該熱電偶的正極為純鐵，負(fù)極為康銅（銅鎳合金），具特點(diǎn)是價(jià)格便宜,適用于真空氧化的還原或惰性氣氛中，溫度范圍從200～800℃，但常用溫度只是500℃以下，因?yàn)槌^這個溫度后，鐵熱電極的氧化速率加快，如采用粗線徑的絲材，尚可在高溫中使用且有較長的壽命；該熱電偶能耐氫氣（Ｈ2）及一氧化碳（ＣＯ）氣體腐蝕，但不能在高溫（例如500℃）含硫（Ｓ）的氣氛中使用。鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶（分度號為Ｅ）Ｅ型熱電偶是一種較新的產(chǎn)品，它的正極是鎳鉻合金，負(fù)極 是銅鎳合金（康銅），其最大特點(diǎn)是在常用的熱電偶中，其熱電勢最大，即靈敏度最高；它的應(yīng)用范圍雖不及Ｋ型偶廣泛，但在要求靈敏度高、熱導(dǎo)率低、可容許大 電阻的條件下，常常被選用；使用中的限制條件與Ｋ型相同，但對于含有較高濕度氣氛的腐蝕不很敏感。除了以上8種常用的熱電偶外，作為非標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶還有鎢錸熱電偶，鉑銠系熱電偶，銥鍺系熱電偶，鉑鉬系熱電偶和非金屬材料熱電偶等。鎳鉻－鎳硅（鎳鋁）熱電偶（分度號為Ｋ）該熱電偶的正極為含鉻10%的鎳鉻合金，負(fù)極為含硅3%的鎳硅合金（有些國家的產(chǎn)品負(fù)極為純鎳）。可測量0～1300℃的介質(zhì)溫度，適宜在氧化性及惰性氣體中連續(xù)使用，短期使用溫度為1200℃，長期使用溫度為1000℃，其熱電勢與溫度的關(guān)系近似線性。鎳鉻－鎳鋁熱電偶與鎳鉻－鎳硅熱電偶的熱電特性幾乎一樣，但是鎳鋁合金在高溫下容易氧化，穩(wěn)定性差，而鎳硅合金在抗氧化和熱電特性的穩(wěn)定性方面都比鎳鋁合金要強(qiáng)。因此我國基本上用鎳鉻－鎳硅熱電偶取代了鎳鉻－鎳鋁熱電偶，國外仍有用鎳鉻－鎳鋁熱電偶。表31 常用熱電偶的材料規(guī)格和線徑使用溫度的關(guān)系熱電偶分度號熱電極材料線徑與作用溫度的關(guān)系（℃）正極負(fù)極線徑（mm）長期短期Ｓ鉑銠10純鉑13001600Ｒ鉑銠13純鉑13001600Ｂ鉑銠30鉑銠616001800Ｋ鎳鉻鎳硅80010001100120012001300Ｎ鎳鉻硅鎳硅80010001100120012001300Ｅ鎳鉻銅鎳550650650750750850Ｔ純銅銅鎳300350Ｊ鐵銅鎳400500500600K型也即鎳鉻－鎳硅熱電偶，它是一種能測量較高溫度的廉價(jià)
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